基于无人机技术的长春市近地面PM2.5 浓度监测方案设计

刘晓倩 于雪芹*

（吉林建筑大学，吉林长春 130118）

1 概述

长春市是吉林省省会，是我国的重要工业基地，被誉为汽车之城，地处东北平原腹地，地势较为平坦，城市森林覆盖率较高，气候宜人，也有森林城市的美誉。近几十年由于城市的发展，长春市的大气污染不容忽视，PM2.5 作为雾霾的重要成分，对它的监测和分析意义重大。随着无人机技术的广泛应用，采用“无人机+监测仪器”模式对长春市近地面垂直上空的PM2.5浓度进行监测，从而进一步探究城市下垫面与PM2.5 垂直分布之间关系[1]，对今后研究长春近地面PM2.5 分布规律，进而合理布局道路、建筑、水体、绿地等城市规划工作，减少环境污染等具有重要的现实意义。

2 无人机技术及在大气环境保护方面的应用

无人机是无人驾驶的飞机，通常采用模块化组装[2]，一般体积较小，是由专用无线电遥控设备操作，最初应用于军用领域，目前广泛应用于农业、水利、电力、国土、测绘等国民经济各个领域。

近几年无人机在大气环境监测应用方面越来越广泛，一方面体现在大气环境监测，无人机能够按照设计的航线运行，对不同高度的近地面大气质量实现远距离实时监测，采集的数据也较为完整；另外一方面体现在大气环境治理，无人机执法机动性好，不受地形与其他人为干扰限制，突击性时效性强，巡查范围广，灵活快捷，尤其是在雾霾严重的地区，使得执法人员隐蔽及时排查到污染源，在一定程度上控制并减缓雾霾等大气污染起到积极作用[3]。

3 研究区域分析

长春市位于北纬43°05'～45°15'，东经124°18'～127°05' 之间，下辖7 个区、1 个县，代管3 个县级市，总面积24662平方千米，户籍人口854.4 万人，城镇人口445.1 万人[4]。

长春气候特点是四季分明，春夏季短促，冬季严寒漫长，年平均气温4.6℃，年降水量600-700 毫米，全年无霜期为140-150 天，全年冰冻期为5 个月[4]。在长春市城区均匀分布着10 个PM2.5 监测点，监测点PM2.5 监测数据每小时更新一次[5]。

4 监测方案设计

4.1 数据获取设备设计

为了更好地实现垂直观测近地面PM2.5 的实测数据，需要选用六旋翼或负载能力更大的无人机，同时搭载PM2.5 监测仪器、电池、便携式自动气象站等设备组成低空测量系统[6]，如图1所示，这里要求电池的续航能力最少要超过30 分钟。

图1 无人机低空PM2.5 测量系统

4.2 城市不同下垫面选择

在垂直观测近地面PM2.5 的实测数据时，为了更好的与监测点数据实现对比分析，选择城市道路、居民地、公园绿地、城市水体和工业厂区5 种下垫面类型[7]。

4.3 采样高度设计

将近地面垂直高度分为三部分：0m-40m、41m-70m、71m-100m，根据城市下垫面类型和实地情况，第一部分采样高度为10m、20m、30m 和40m，第二部分采样高度为50m、60m、70m，第三部分采样高度为80m、90m、100m。

4.4 采样时间设计

作为北方城市的长春，冬季和春季气候更为干燥，这一时期的PM2.5 浓度更具有代表性，因此采样时间选择在冬季12月至第二年的2 月和春季3 月至5 月，时间段可以分为上午7-8 时、上午10-11 时、下午13-14 时和下午17-18 时。

4.5 近地面PM2.5 浓度监测流程

采用低空无人机测量系统进行长春市近地面PM2.5 浓度监测的流程如图2 所示。

图2 低空无人机测量系统进行长春市近地面PM2.5 浓度监测流程

4.5.1 监测仪器准备

利用环保部门实测的数据对PM2.5 浓度监测仪器和自动气象站进行校正，并初始化，同时将无人机的电池和若干备用电池充满电，作好野外实测的相关准备工作。

4.5.2 实验监测

制根据不同下垫面类型，不同采样高度和不同时间，设计制定具体监测实验方案，选择无风或是微风的天气进行野外实地监测，获取相应的数据。

4.5.3 数据处理与分析

分析不同下垫面类型的PM2.5 浓度垂直分布规律，根据监测的相应大气温度和湿度，并结合吉林省环境保护厅公布的环保监测站相关数据，计算PM2.5 浓度与温度、湿度之间的相关性。

5 外业监测

选用大疆创新公司生产的经纬M600 型六旋翼无人机，选取2020 年12 月和2021 年4 月中各一天进行无人机PM2.5 野外数据采集监测。

5.1 2020 年12 月5 日，天气状况：气温-5.1 ℃～-11.8℃，晴天，东南风1～2 级，监测时间从早上7：00 到下午17：00，监测地点选择在长春市二道区劳动公园及周边，如表1 及表2显示了部分野外监测数据。

表1 2020 年12 月5 日劳动公园绿地PM2.5 监测数据

表2 2020 年12 月5 日二道区领东路旁PM2.5 监测数据

5.2 2021 年4 月21 日，天气状况：气温9.2℃～16.1 ℃，晴天天，东北风1～2 级，监测时间从下午14：00 到下午16：00，监测地点选择在长春市二道区劳动公园及周边，如表3 及表4 显示了部分野外监测数据。

表3 2021 年4 月20 日二道区领东路旁PM2.5 监测数据

表4 2021 年4 月20 日二道区劳动公园水体PM2.5 监测数据

6 总结与展望

无人机PM2.5 监测系统，灵活性强，操控简单，能实现悬停测量，也能够精确给出平面位置和高度位置，为近地空气象观测提供了强有力的支持。下一步就是根据设计的监测方案进行全面的野外监测工作，并对数据进行相应的处理和分析，得出长春市近地面PM2.5 浓度分布特点，进一步给出调控城市空间模式优化方案的策略，从而改善局地微气候来减轻雾霾。